夾心式徑向振動壓電超聲換能器研究.pdf

1、功率超聲換能器是電能與聲能（或機械能）互為轉換的一種超聲設備。在功率超聲技術領域應用較廣的是夾心式縱向振動壓電超聲換能器，這類換能器的設計理論基本完善。為滿足應用的需求，發(fā)展起來一類大功率徑向復合壓電換能器，由于該類徑向復合超聲換能器的功率密度大、聲輻射效率高、徑向聲輻射指向性均勻，因此在液體超聲處理領域中的應用前景十分廣闊，并逐漸成為該領域的研究熱點。目前有不少學者對兩元或者三元徑向復合壓電換能器的徑向振動、縱徑耦合振動模式進行了一定

2、研究，但這類換能器基本采用熱脹冷縮法進行裝配，需要較高的加工工藝，且預應力大小、均勻性不容易控制，熱穩(wěn)定性仍需提高。
　　本文針對上述大功率換能器應用中存在的問題，對三元徑向復合壓電換能器進行了改進和初步研究。徑向復合換能器主要由三部分組成:內外層均為金屬預應力管，中間層為壓電陶瓷晶片。不同的是，本文中單層結構的徑向復合換能器中的壓電單元采用的是壓電薄圓片環(huán)形排列而成。根據夾心式縱向振動壓電換能器的理論設計，本文對這類三元徑向振動

3、壓電換能器還做了進一步改進，提出了層疊式三元徑向復合壓電換能器。為了使復雜的裝配工藝簡單化以及解決預應力均勻性等問題，本文將內部金屬預應力管替換為一種柱形彈性膨脹內芯，該內芯不需要高精度的熱加工，可隨意拆卸。本文通過理論、有限元法以及實驗對單層和雙層壓電陶瓷三元徑向復合超聲換能器的徑向振動特性分別進行了分析，實驗測試值與理論結果基本一致。
　　本研究主要內容包括：⑴分別對各向同性的金屬薄圓盤、薄圓環(huán)以及薄壁短管徑向振動特性進行了簡

4、要的研究。由機電類比原理，得到了各組分的等效電路、共振頻率方程。⑵對單層壓電陶瓷三元徑向復合壓電超聲換能器的徑向振動特性進行了研究，導出了分割處理的壓電陶瓷管準厚度模振動機電等效電路，通過連續(xù)邊界條件，進而得到了換能器的徑向振動等效電路及頻率方程。探討了換能器的性能參數與其管壁厚度、壓電陶瓷位置之間的關系。⑶根據夾心式縱向振動壓電換能器的設計方法，在單層結構基礎上，提出了復合層（一般為偶數層）夾心式徑向振動壓電超聲換能器。由網絡級聯理論

5、得到了復合層壓電陶瓷晶的準厚度振動機電等效電路模型，從而建立了夾心式徑向振動壓電換能器的機電類比電路，得出了其共振、反共振頻率方程。分析了該換能器第一、二階徑向共振頻率、有效機電耦合系數與其幾何尺寸之間的依賴關系。⑷利用ANSYS有限元仿真軟件，對夾心式徑向復合壓電換能器的徑向振動進行了模態(tài)分析。在理論和有限元分析的基礎上，分別制作加工了幾個管壁厚度不同的單層及雙層壓電陶瓷徑向復合換能器樣品，對其共振頻率進行了實驗測試。結果表明，理論計